Міжнародна група фізиків вперше створила систему, що веде себе як надплинна рідина при кімнатній температурі - без потреби для охолодження до температур рідкого гелію. В її основі конденсуються ексітонні поляритони у флуоресцентному барвнику, які в деяких умовах здатні вести себе як потік, що рухається за законами гідродинаміки. Вчені показали, що цей потік здатний обтікати перешкоди без розсіювання, а також утворювати пари вихорів і антивихрів, подібно надплинному гелію. Дослідження опубліковано в журналі (препринт).
Надплинність - незвичайне явище, що має квантову природу. Вперше вона спостерігалася в рідкому гелії: при охолодженні нижче 2,17 речовина повністю втрачала в'язкість. У надплинному стані гелій безперешкодно витікає крізь найменші тріщини і навіть здатний підніматися по стінках судини і переливатися через край під дією капілярних сил. Це явище, поряд з надпровідністю, споріднене іншому фізичному процесу - бозе-ейнштейновської конденсації. У такій конденсації бозони - вони можуть бути представлені атомами гелію, куперівськими парами або іншими частинками - переходять у стан з мінімальною енергією і стають невідличними один від одного. В результаті всі вони починають вести себе як єдина система.
Роль конденсованих частинок в надплинності можуть грати не тільки атоми гелію, але і, наприклад, водень або квазічастинки-бозони. Квазічастинками називають частинки, які вводять фізики, щоб спростити опис багаточастичних процесів у твердому тілі. Наприклад, електрон у твердому тілі зручно замінити на електрон-квазічастицю, який поводиться так, немов його маса збільшилася або, навпаки, стала нульовою. Детальніше про квазічастинки можна прочитати в нашому матеріалі квантової абетки: «Зоопарк квазічастинок» - у ньому ці незвичайні об'єкти пояснюються на котах.
У новій роботі фізики конденсували ексітонні поляритони. Ці квазічастинки виникають при взаємодії екситонів - квазічастиць, що складаються з електрону і дірки (квазічастинок, що позначають відсутність електрона) - і фотонів (справжніх). Поляритони здатні взаємодіяти між собою і, утворювати потоки, що підкоряються законам гідродинаміки. Залежно від того, в якому матеріалі виникають поляритони, їх властивості відрізняються. Так, в органічних напівпровідниках взаємодія між окремими поляритонами досить слабка. Але такі квазічастинки набагато більш стійкі до розпаду екситону на електрон і дірку під дією теплових ефектів. Це робить можливим існування потоку конденсату з поляритонів при кімнатній температурі. Раніше було показано, що при дуже низьких температурах конденсат поляритонів може вести себе як надплинна рідина.
Для створення екситонних поляритонів використовується наступна схема: Напівпровідник, в якому можливе народження екситонів, поміщають в оптичний резонатор і опромінюють світлом. У новій роботі роль напівпровідника виконував органічний флуоресцентний барвник на базі флуорену. Тонкий шар цього барвника поміщали між двома дзеркалами з високою відбивною здатністю - вони створювали оптичний резонатор. Потім у резонатор під кутом направляли промінь лазера, який багаторазово відбивався від дзеркал і взаємодіяв з ексітонами в барвнику.
Як зазначають автори, швидкість, з якою рухався потік поляритонів, залежить від кута, під яким промінь потрапляв у резонатор. Від інтенсивності променя залежала щільність поляритонів у потоці. Якщо щільність була невеликою, або, навпаки, великою була швидкість руху квазічастинок, то система перебувала в режимі надзвукової течії - при огинанні перешкод у потоці виникала горобка. Але при більшій щільності система переходила в надплинний стан і ряб зникала. У момент переходу від надплинного стану до надзвукового потоку в системі виникали пари з вихорів і антивихрів, характерні для перехідних станів тонких плівок надплинного гелію. На відміну від гелію, в органічному барвнику всі ці явища відбувалися при кімнатній температурі. Цьому сприяє невелика ефективна маса поляритонів - у мільярд разів менше, ніж у атома гелію.
Кімнатнотемпеолог на надплинність може стати основою для нового класу пристроїв, в яких роль електричного струму відіграє струм поляритонів. Такі пристрої можуть бути частиною фотонних інтегральних схем. Завдяки конденсації та надплинності вони забезпечать передачу сигналів без розсіювання. Поляритонна надплинність, за словами незалежних експертів, дещо відрізняється від надплинності гелію - в першу чергу, це нерівноважний процес. Час життя поляритонів становить сотні фемтосекунд.
Кілька місяців тому дослідники з Вищої школи Цюріха і MIT вперше розповіли про спостереження надплинності в твердому тілі. У таких кристалах дефекти можуть переміщатися без тертя. А в 2015 році японський фізик-теоретик Хірокі Сайто пояснив, як можна плавати в надплинних рідинах.